Карпалюк И.Т. и др. Компьютерные сети и телекоммуникации, лекции

Подождите немного. Документ загружается.

вторителем. После того, как мост/коммутатор узнает о принадлежности адре-

сов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае

межсегментной передачи. Если, уже после завершения обучения, на входе

коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот

кадр будет повторен на всех портах.

Мосты/коммутаторы, работающие описанным способом, обычно назы-

ваются прозрачными (transparent), поскольку появление таких мос-

тов/коммутаторов в сети совершенно не заметно для ее конечных узлов. Это

позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от простых

конфигураций, использующих только концентраторы, к более сложным, сег-

ментированным.

Существует и другой класс мостов/коммутаторов, передающих кадры

между сегментами на основе полной информации о межсегментном маршруте.

Эту информацию записывает в кадр станция-источник кадра, поэтому говорят,

что такие устройства реализуют алгоритм маршрутизации от источника

(source routing). При использовании мостов/коммутаторов с маршрутизацией

от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты и

сетевые адаптеры и в этом случае должны в своем программном обеспечении

иметь компонент, занимающийся выбором маршрута кадров.

За простоту принципа работы прозрачного моста/коммутатора прихо-

дится расплачиваться ограничениями на топологию сети, построенной с ис-

пользованием устройств данного типа - такие сети не могут иметь замкнутых

маршрутов - петель. Мост/коммутатор не может правильно работать в сети с

петлями, при этом сеть засоряется зацикливающимися пакетами и ее произво-

дительность снижается.

Для автоматического распознавания петель в конфигурации сети разра-

ботан алгоритм покрывающего дерева (Spanning Tree Algorithm, STA). Этот

алгоритм позволяет мостам/коммутаторам адаптивно строить дерево связей,

когда они изучают топологию связей сегментов с помощью специальных тес-

товых кадров. При обнаружении замкнутых контуров некоторые связи объяв-

ляются резервными. Мост/коммутатор может использовать резервную связь

только при отказе какой-либо основной. В результате сети, построенные на

основе мостов/коммутаторов, поддерживающих алгоритм покрывающего де-

рева, обладают некоторым запасом надежности, но повысить производитель-

ность за счет использования нескольких параллельных связей в таких сетях

нельзя.

Маршрутизаторы

Маршрутизатор (router) позволяет организовывать в сети избыточные

связи, образующие петли. Он справляется с этой задачей за счет того, что при-

нимает решение о передаче пакетов на основании более полной информации о

графе связей в сети, чем мост или коммутатор. Маршрутизатор имеет в своем

распоряжении базу топологической информации, которая говорит ему, напри-

мер, о том, между какими подсетями общей сети имеются связи и в каком со-

стоянии (работоспособном или нет) они находятся. Имея такую карту сети,

маршрутизатор может выбрать один из нескольких возможных маршрутов

доставки пакета адресату. В данном случае под маршрутом понимают после-

довательность прохождения пакетом маршрутизаторов. Например, на рисунке

3.5 для связи станций L2 сети LAN1 и L1 сети LAN6 имеется два маршрута:

М1-М5-М7 и М1-М6-М7.

В отличии от моста/коммутатора, который не знает, как связаны сегмен-

ты друг с другом за пределами его портов, маршрутизатор видит всю картину

связей подсетей друг с другом, поэтому он может выбрать правильный мар-

шрут и при наличии нескольких альтернативных маршрутов. Решение о выбо-

ре того или иного маршрута принимается каждым маршрутизатором, через ко-

торый проходит сообщение.

Для того, чтобы составить карту связей в сети, маршрутизаторы обмени-

ваются специальными служебными сообщениями, в которых содержится ин-

формация о тех связях между подсетями, о которых они знают (эти подсети

подключены к ним непосредственно или же они узнали эту информацию от

других маршрутизаторов).

M1, M2, ... , M7 - маршрутизаторы

LAN1, LAN2, LAN3, WAN4, WAN5, LAN6 - уникальные номера сетей в едином формате

L1, L2, ... - локальные номера узлов (дублируются, разный формат)

Рис. 3.5 - Структура интерсети, построенной на основе маршрутизаторов

Построение графа связей между подсетями и выбор оптимального по ка-

кому-либо критерию маршрута на этом графе представляют собой сложную

задачу. При этом могут использоваться разные критерии выбора маршрута -

наименьшее количество промежуточных узлов, время, стоимость или надеж-

ность передачи данных.

Маршрутизаторы позволяют объединять сети с различными принципами

организации в единую сеть, которая в этом случае часто называется интер-

сеть (internet). Название интерсеть подчеркивает ту особенность, что образо-

ванное с помощью маршрутизаторов объединение компьютеров представляет

собой совокупность нескольких сетей, сохраняющих большую степень авто-

номности, чем несколько логических сегментов одной сети. В каждой из сетей,

образующих интерсеть, сохраняются присущие им принципы адресации узлов

и протоколы обмена информацией. Поэтому маршрутизаторы могут объеди-

нять не только локальные сети с различной технологией, но и локальные сети

с глобальными.

Маршрутизаторы не только объединяют сети, но и надежно защищают

их друг от друга. Причем эта изоляция осуществляется гораздо проще и на-

дежнее, чем с помощью мостов/коммутаторов. Например, при поступлении

кадра с неправильным адресом мост/коммутатор обязан повторить его на всех

своих портах, что делает сеть незащищенной от некорректно работающего уз-

ла. Маршрутизатор же в таком случае просто отказывается передавать "непра-

вильный" пакет дальше, изолируя дефектный узел от остальной сети.

Кроме того, маршрутизатор предоставляет администратору удобные

средства фильтрации потока сообщений за счет того, что сам распознает мно-

гие поля служебной информации в пакете и позволяет их именовать понятным

администратору образом. Нужно заметить, что некоторые мосты/коммутаторы

также способны выполнять функции гибкой фильтрации, но задавать условия

фильтрации администратор сети должен сам в двоичном формате, что доволь-

но сложно.

Кроме фильтрации, маршрутизатор может обеспечивать приоритетный

порядок обслуживания буферизованных пакетов, когда на основании некото-

рых признаков пакетам предоставляются преимущества при выборе из очере-

ди.

В результате, маршрутизатор оказывается сложным интеллектуальным

устройством, построенным на базе одного, а иногда и нескольких мощных

процессоров. Такой специализированный мультипроцессор работает, как пра-

вило, под управлением специализированной операционной системы.

Модульные многофункциональные концентраторы

При построении сложной сети могут быть полезны все типы коммуни-

кационных устройств: и концентраторы, и мосты, и коммутаторы, и маршру-

тизаторы (сетевые адаптеры исключены из этого списка потому, что они необ-

ходимы всегда). Чаще всего отдельное коммуникационное устройство выпол-

няет только одну основную функцию, представляя собой либо повторитель,

либо мост, либо коммутатор, либо маршрутизатор. Но это не всегда удобно,

так как в некоторых случаях более рационально иметь в одном корпусе мно-

гофункциональное устройство, которое может сочетать эти базовые функции и

тем самым позволяет разработчику сети использовать его более гибко.

В идеале можно представить себе универсальное коммуникационное

устройство, имеющее достаточное количество портов для подключения сете-

вых адаптеров, которые объединяются в группы с программируемыми функ-

циями взаимоотношений между собой (по алгоритму повторителя, коммутато-

ра или маршрутизатора). Однако известно, что всякая универсализация всегда

вредит качеству выполнения узких специальных функций и, возможно поэто-

му, на современном уровне развития техники такое полностью универсальное

устройство пока не появилось, хотя отдельное совмещение функций в одном

устройстве иногда выполняется.

Так, маршрутизаторы часто могут работать и в качестве мостов, в зави-

симости от того, как сконфигурировано администратором их программное

обеспечение. А вот функции повторителя требуют высокого быстродействия,

которое может быть достигнуто только на сугубо аппаратном уровне. Поэтому

функции повторителя не объединяются с функциями моста или маршрутиза-

тора.

Для совмещения функций может быть использован другой подход. В

специальных устройствах - модульных концентраторах - отдельные компо-

ненты, выполняющие одну из трех описанных основных функций, реализова-

ны в виде модулей, устанавливаемых в общем корпусе. При этом межмодуль-

ные связи организуются не внешним образом, как это делается, когда модули

представляют собой отдельные устройства, а по внутренним шинам единого

устройства.

Модульные многофункциональные устройства часто называют концен-

траторами, подчеркивая их централизующую роль в сети. При этом термин

"концентратор" используется не как синоним термина повторитель, а в более

широком смысле. Нужно хорошо понимать в каждом конкретном случае

функциональное назначение отдельных модулей такого концентратора. В за-

висимости от комплектации модульный многофункциональный концентратор

может сочетать функции и повторителя (причем различных технологий), и

моста, и коммутатора, и маршрутизатора, а может выполнять и только одну из

них.

Функциональное соответствие видов коммуникационного обо-

рудования уровням модели OSI

Лучшим способом для понимания отличий между сетевыми адаптерами,

повторителями, мостами/коммутаторами и маршрутизаторами является рас-

смотрение их работы в терминах модели OSI (Open System Interconnection -

модель взаимодействия открытых систем). Соотношение между функциями

этих устройств и уровнями модели OSI показано на рисунке 3.6.

Повторитель, который регенерирует сигналы, за счет чего позволяет

увеличивать длину сети, работает на физическом уровне.

Сетевой адаптер работает на физическом и канальном уровнях. К физи-

ческому уровню относится та часть функций сетевого адаптера, которая связа-

на с приемом и передачей сигналов по линии связи, а получение доступа к

разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера - это уже

функция канального уровня.

Мосты выполняют большую часть своей работы на канальном уровне.

Для них сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают

эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и ис-

пользуют их во время обработки пакетов для принятия решения о том, на ка-

кой порт отправить тот или иной пакет. Мосты не имеют доступа к информа-

ции об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они

ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах переме-

щения пакетов по сети.

Рис. 3.6 - Соответствие функций коммуникационного оборудования мо-

дели OSI

Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI. Для маршру-

тизаторов сеть - это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых пу-

тей. Маршрутизаторы анализируют все возможные пути между любыми двумя

узлами сети и выбирают самый короткий из них. При выборе могут прини-

маться во внимание и другие факторы, например, состояние промежуточных

узлов и линий связи, пропускная способность линий или стоимость передачи

данных.

Для того, чтобы маршрутизатор мог выполнять возложенные на него

функции ему должна быть доступна более развернутая информация о сети,

нежели та, которая доступна мосту. В заголовке пакета сетевого уровня кроме

сетевого адреса имеются данные, например, о критерии, который должен быть

использован при выборе маршрута, о времени жизни пакета в сети, о том, ка-

кому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет.

Благодаря использованию дополнительной информации, маршрутизатор

может осуществлять больше операций с пакетами, чем мост/коммутатор. По-

этому программное обеспечение, необходимое для работы маршрутизатора,

является более сложным.

На рис. 3.6 показан еще один тип коммуникационных устройств - шлюз,

который может работать на любом уровне модели OSI. Шлюз (gateway) - это

устройство, выполняющее трансляцию протоколов. Шлюз размещается между

взаимодействующими сетями и служит посредником, переводящим сообще-

ния, поступающие из одной сети, в формат другой сети. Шлюз может быть

реализован как чисто программными средствами, установленными на обычном

компьютере, так и на базе специализированного компьютера. Трансляция од-

ного стека протоколов в другой представляет собой сложную интеллектуаль-

ную задачу, требующую максимально полной информации о сети, поэтому

шлюз использует заголовки всех транслируемых протоколов.

Расчет корректности конфигурации локальной сети

Для того, чтобы сеть Ethernet могла функционировать корректно, ее

конфигурация должна удовлетворять определенным требованиям, которые

включают в себя:

1) Ограничение на максимальную/минимальную длину кабеля

Основным недостатком любого типа кабеля является затухание сигна-

ла в кабеле. Если не использовать повторители (концентраторы), ретрансли-

рующие и усиливающие сигнал, то расстояние между любыми двумя компь-

ютерами в сети с топологией "общая шина" не может превышать некоторого

предельного значения. При топологии "звезда" или "кольцо" это же ограни-

чение накладывается на длину кабеля компьютер-компьютер или компью-

тер-концентратор (hub). Существуют также ограничения на минимальную

длину кабеля между двумя сетевыми устройствами, что связано с физиче-

скими особенностями распространения сигнала в кабеле.

2) Ограничение на количество компьютеров в одном сегменте сети.

Сегмент образуют компьютеры, соединенными между собой при по-

мощи повторителей (концентраторов). Два различных сегмента объединяют-

ся между собой при помощи мостов, коммутаторов, маршрутизаторов. В

стандарте Ethernet предусмотрено ограничение на максимальное число ком-

пьютеров в одном сегменте сети.

3) Ограничение на число повторителей между любыми двумя ком-

пьютерами сети.

Число повторителей (концентраторов) между любыми двумя компью-

терами в сети Ethernet не может быть больше четырех. Это ограничение на-

зывают "правилом четырех хабов". Ограничение связано с задержками в

распространении сигнала, которые вносит повторитель.

4) Ограничение на время двойного оборота сигнала (Path Delay Val-

ue, PDV).

Правило "четырех хабов" является достаточно простым, однако гаранти-

рует корректность конфигурации сети с излишним "запасом". В некоторых

случаях можно построить сеть и с большим числом повторителей между лю-

быми двумя компьютерами в сети. Кроме того, правило четырех хабов не рас-

считано на смешанные сети (коаксиал+витая пара+оптоволокно). Для более

точной проверки используется расчет времени двойного оборота сигнала

(PDV). Поясним термин PDV.

Четкое распознавание коллизий всеми компьютерами сети является не-

обходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какой-либо пере-

дающий компьютер не распознает коллизию и решит, что кадр данных достав-

лен верно, то этот кадр данных будет утерян. Скорее всего, утерянный кадр

будет повторно передан каким-либо протоколом верхнего уровня (транспорт-

ным или прикладным), но произойдет это через значительно более длительный

интервал времени (иногда даже через несколько секунд), по сравнению с мик-

росекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому

если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это

приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети.

Для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы передающий

компьютер успевал обнаружить коллизию еще до того, как он закончит пере-

дачу этого кадра. Для этого время передачи кадра минимальной длины должно

быть больше или равно времени, за которое сигнал коллизии успевает распро-

страниться до самого дальнего компьютера в сети. Так как в худшем случае

сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга

компьютерами в сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на об-

ратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это вре-

мя называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

Так как скорость распространения электрического сигнала конечна, то

каждый метр кабеля вносит задержку в распространение сигнала. Существен-

ную задержку также вносят повторители, вынужденные побито принимать и

усиливать сигнал. Для упрощения расчетов существует специальная таблица,

содержащая величины задержек, указанных в битовых интервалах. Суммарная

величина PDV, рассчитанная по таблице, не должна превышать 575 битовых

интервалов. Для увеличения надежности сети, на случай отклонения парамет-

ров кабеля и повторителей, лучше оставлять "про запас" 4 битовых интервала,

т.е. PDV не должно превышать 571 битовый интервал.

5) Ограничение на сокращение межкадрового интервала (Path Va-

riability Value, PW).

При отправке кадра, компьютеры обеспечивают начальное межкадровое

расстояние в 96 битовых интервала. При прохождении через повторители,

межкадровый интервал уменьшается. Суммарное сокращение межкадрового

интервала (PW) не должно превышать 49 битовых интервалов.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДОСТУПА К ТЕРРИТОРИАЛЬНЫМ СЕТЯМ

Корпоративная сеть объединяет локальные сети и компьютеры всех

структурных подразделений предприятия, в том числе удаленных от цен-

трального отделения на значительные расстояния, которые не под силу по-

крыть большинству используемых сегодня технологий локальных сетей. По-

этому при организации почти каждой корпоративной сети приходится решать

задачу связи удаленных подразделений на основе использования территори-

альных сетей, называемых также глобальными.